物联网实验教程：单片机平台基础实验

1.实验目的

本实验在单片机实验母板（IOT-SCMMB）上使用定时器、LED和串口实现了一个简单的演示程序。该母板以无线传感器网络节点中常用的Atmel公司的ATmega128L芯片为处理器，扩充了多种传感器及外围模块。本实验通过定时器中断交替点亮开发板上黄蓝LED灯，并向串口输出已点亮LED灯的编号（黄色LED编号为0，蓝色LED编号为1）。通过该演示例子，使读者对单片机开发有初步了解，掌握在WinAVR集成开发环境下进行单片机程序的编写和编译的步骤，并能使用AVRStudio软件将程序下载到开发板上。

2.实验设备

（1）硬件

● 单片机实验母板（IOT-SCMMB）1套。

● 传感器及外围模块（IOT-MODULES）1套。

● JTAG编程器1个。

● PC（含串口）1台。

（2）软件

● 串口调试助手。

● WinAVR20050214。

● AVRStudio4.18。

3.实验原理

本实验的演示程序使用了单片机实验母板（IOT-SCMMB）上的基本部件，其主要围绕Atmel公司的ATmaga128芯片构建的开发板，主要功能组成包括了多种传感器、射频及外部接口，开发板的实物照片如图2-1所示。

图2-1 单片机开发板实物照片

本实验的程序使用了该开发板上ATmega128单片机U4的8位定时器0、蓝黄LED以及USB-B口J3。在程序的主函数文件mian.c中，首先设置单片机与LED的连接端口，然后设置串口的参数并对其进行初始化，接下来配置计数器0（采用64分频，将7.3728MHz的晶振频率降为115200Hz），最后打开全局中断，并使程序进入一个循环。相关代码如下：

8位计数器溢出时，会触发溢出中断。在中断处理函数中，对LED灯的状态进行设置，并输出到串口。分频后的115200Hz依然不便于观察，因此引入了一个8位的变量counter，每次计数器溢出时该变量加1。当该变量值为225时改变LED灯的状态。这样通过控制该变量的大小就可以调节LED灯闪烁的周期，即

2⁸/115200Hz×225=0.5s

相关的代码如下：

serialputc（）为向串口发送数据的函数，参数i为待发送的数据，其实现代码如下：

4.实验内容

安装WinAVR20050214和AVRStudio4.18软件，学习如何使用这两个软件进行单片机程序的开发、编译和下载。

初步掌握基于开发板的单片机程序设计方法，能够设计简单的程序操作开发板上的各个模块。

5.实验步骤(https://www.xing528.com)

（1）安装WinAVR20050214和AVRStudio4.18

分别单击WinAVR-20050214-install.exe和AvrStudio4Setup.exe图标，按照默认的设置进行安装。

（2）编译演示程序

启动WinAVR20050214编辑环境Programmers Notepad。选择File→New→Project，新建一个工程，并保存在工程文件夹中，工程名称设置为demoexperiment。新建一个C语言源代码文件，即选择File→New→C/C++，然后选择菜单中的Saveas将其保存为一个新的文件demoexperiment.c。用鼠标右键单击左侧窗口中新建的工程demoexperiment，选择Add Files，在AddFiles对话框中选择demoexperiment.c，并单击打开，即可将该文件添加到工程文件中。此时，就可以在demoexperiment.c中编辑程序了。将本实验提供的源代码复制到编辑窗口，然后单击Tools→[WinAVR]MakeAll编译文件。此时会出现如图2-2所示的对话框。

“No rule to make target`all'.Stop.”表示未找到Makefile文件。下面将介绍如何使用WinAVR建立项目工程的Makefile文件。

图2-2 未找到Makefile文件对话框

通常由编译器（泛指高级语言编译器、汇编器、连接器等）、项目管理器和文本编辑器构成一个完整的编程环境。项目管理器负责为每一个源程序文件调用编译器生成目标文件，然后用连接器将它们组合在一起，生成可执行文件。WinAVR使用一个叫做Makefile的文件来管理程序的编译连接，Makefile是个通用脚本文件，可执行文件make.exe负责解析它并根据脚本内容来调用编译器、连接器或其他的工具，最终生成可执行代码文件。每次调用make时它会比较目标文件与源文件的更新时间，如果源文件比目标文件新，它会执行Makefile内的相关指令更新目标文件，如果目标文件与源文件同样新，它就跳开这个源文件的编译，避免重复工作，这对于较大的工程来说，是节省编译时间的有效方法。

WinAVR包中有一种简单的Makefile文件生成工具叫做MFile，利用它就可方便地生成合适的Makefile文件。选择程序→WinAVR→MFile，即可打开MFile。下面对MFile的Makefile菜单下的各个选项进行简单的介绍。

Main file name…菜单项指定主程序文件，它将决定主源程序文件名及输出文件名。选择该选项，在对话框中输入主程序的主文件名，这里使用demoexperiment。注意，文件名中不要包含扩展名，如.c等。

MCU type根据所选择的处理器进行设置，这里选择ATmega128。

Output format菜单项用于选择最终生成的可执行代码格式，根据编程器支持格式选择即可，这里选择ihex。

Optimization level指定C代码的优化级，s代表按最小代码量编译，选择s。

C/C++source file（s）和Assembler source files（s）用于在项目中添加其他C、C++和汇编程序源文件。本实验只有一个文件，因此可以不设置。

通常，设置以上几项就可以了。在编写程序的过程中往往需要在项目中添加源文件，这时只需在生成的Makefile中SRC变量后添加源文件名即可。

当上述选项设置好之后，选择File→SaveAs，将其保存到工程文件夹中。再单击Tools→[WinAVR]MakeAll编译文件，就可以在Output对话框中看到如图2-3所示的结果。

图中的“Process Exit Code：0”表示编译成功。此时在工程文件夹会生成demoexperiment.hex文件。

（3）将编译后得到的.hex文件下载到开发板上

硬件连接：首先，将编程器的JTAG插头插到开发板上的JTAG插口中，并将JTAG插口右侧的白色开关拨到左侧，表示将文件下载到单片机U4上；然后，将编程器通过串口连接到计算机；最后，分别连接编程器和开发板的电源，并打开电源开关。

软件操作：首先选择程序→AtmelAVRTools→AVR Studio4，打开AVR Studio。如果出现开始界面（显示最近使用过的文件或工程以供用户选择），选择Cancel，关闭此界面。之后会进入该软件的主界面，选择Tools→ProgrammeAVR→Connect…或者直接单击界面上的AVR按钮，会弹出一个工作界面，这个界面有8个选项页，分别是Main，Program，Fuses，LockBit，Advanced，HW Settings，HWInfo和Auto，需要用到的是Main和Program，后面的几项保持默认。

在Main选项下首先需要在Device and Signature Bytes的第一个框的下拉列表中选择单片机的型号，节点使用的是ATmega128，需要选中对应的设备。在Program选项下Device框中有两项是可选的，它们是Erase Device Before和Verify Device After Program。如果选中了第一个，在编写程序时会先将ATmega128的128KB的Flash全部擦除，然后再进行程序下载；第二个选项表示在编写程序完成以后进行一些校验和验证的工作，确保编程的数据是无误的。建议将这两个选项都选上。最后在Program选项下的Flash框中选择实验程序的.hex文件，单击Flash框中的Program按钮就可以将该.hex文件下载到ATmega128中。程序下载成功之后可以看到实验开发板上黄蓝灯轮流闪烁，在上位机上打开串口调试助手（波特率设为57600bit/s，以十六进制显示），会输出当前正点亮的LED的编号，如果黄色LED亮则输出0，蓝色LED亮则输出1。

图2-3 使用WinAVR编译实验代码通过结果

6.思考题

1）如何自己写一个Makefile文件？

2）如何将程序下载到EEPROM中？

7.补充阅读

[1]徐勇军，安竹林，等.无线传感器网络实验教程[M].北京：北京理工大学出版社，2007.

[2]ATmega128/LDatasheet.http：//www.atmel.com/.Atmel，2010.